电流的传递时间为零,那么电子的运动超光速了吗?

教程与解决方案问答分类: 数理科学电流的传递时间为零,那么电子的运动超光速了吗?
0
Fuyeor MaruguFuyeor 管理员 提问于 2月 以前

1 个回答
0
Fuyeor MaruguFuyeor 管理员 回答于 2月 以前

电流的传递并非不需要时间,实际上,它的传播速度就是光速。在生活中,我们感觉电流的传播不需要时间按下开关的——瞬间,灯就亮了,这是因为电流传递的速度(光速)高达30万千米/秒,家中导线的长度没法让人察觉出延迟。假如从地球控制远在月球轨道上的电灯,延迟就会达到约1.3秒;如果电灯远在火星,延迟更是会达到几分钟到二十几分钟。

不过,电流传递的速度并不是电子运动的速度。要弄清楚这个问题,我们应该先理解什么是电流。高中物理对电流的定义是,电荷的定向流动就是电流。对于金属导线来说,它的内部有带正电的原子核,也有带负电的电子,能自由运动的是其中一部分电子,称为“自由电子”。人们在纸上所推算的电流,实际是金属导线内自由电子的定向流动。

如果要更具体地理解电流的物理本质是什么,就需要大学里的电动力学、固体物理等知识了。电动力学告诉我们,无论是电还是磁相互作用,它们都是以电磁场的形式来传播的,而这个传播速度正是光速。那么,当我们接通电路后,导体里的自由电子就会以光速定向流动吗?要注意,“电流的传递速度”和“电子定向移动的速度”,其实是两个不同的概念。想象电池是一个游乐园,外面有很多人在等待开门,他们随意走动,相当于导体里的自由电子。

当游乐园开门时,人群开始排队向入园方向缓慢流动。虽然队伍前进的速度很慢,但是有一个速度是很快的,那就是排在长长队伍后面的人,也很快开始进入了随着队伍慢慢前进的状态。这个“可以往前流动了”的信号的传播速度,就是电流建立时的传播速度(光速)。而电子真正定向流动的速度很慢,可以慢到只有每秒零点几毫米。

有意思的是,电子在定向流动的同时,依然在做着热运动,其速度大小和方向都是随机的。电子热运动的速度大小,大概分布在零到千分之几光速的范围。也就是说,即使在建立了电流的情况下,自由电子做随机热运动的速度通常也远远大于定向流动的速度。用人类的眼光看,微观世界真是一个混乱的世界。电子的热运动正是影响材料电阻的因素之一,降温通常可以降低电阻。

你的回答

6 + 8 =